Страница:
Рассмотрим еще, хотя бы для контраста, что делается на границе рассматриваемой среды с другим параметром колебательного процесса -колебательной скоростью частиц. На это даст ответ средняя часть второй формулы. Поскольку в среду передалась ничтожная часть звуковой энергии, а акустическое сопротивление среды весьма велико, это может быть лишь при ничтожной колебательной скорости, значение которой в правой части формулы входит множителем в выражение акустического сопротивления.
И здесь можно провести аналогию с мечущимся по комнате лектором. При всем желании он не в состоянии раскачать ногой кирпичную стену, то есть колебательная скорость во второй среде близка к нулю.
У любознательного читателя мог бы возникнуть еще вопрос: а что будет наблюдаться при обратном переходе звука -- из среды с весьма большим акустическим сопротивлением в среду с малым акустическим сопротивлением?
На границе среды с большим акустическим сопротивлением звуковое давление почти удваивается (хотя в нее переходит лишь ничтожная часть звуковой энергии). Кричать над поверхностью воды -- верный способ распугать рыб, слуховой аппарат которых, как и у большинства живых существ, реагирует на величину звукового давления.
Можно показать, что и в этом случае перейдет лишь ничтожная часть звуковой энергии, но здесь уже колебательная скорость во второй среде будет близка к удвоенному значению, а звуковое давление в ней близко к нулю. Вот почему до нас не доносится в воздухе звук от удара одного камня о другой (хотя ныряльщик, проделывающий это, сам слышит довольно интенсивный шум, несмотря даже на изолирующие воздушные пробки в ушах),
А что же наш демонстратор, может ли он предложить для этого случая какую-либо "мнемоническую модель"? Если он прикрепит вертикально к ножкам стола лист плотной бумаги (которая в данном случае будет изображать первую среду -- с большим акустическим сопротивлением) и его нога, по-прежнему представляющая звуковую волну, прорвет этот лист, то ясно, что скорость ноги в момент прорыва возрастет, но поскольку за листом нога встречает воздушную среду, не оказывающую никакого сопротивления, то нет и условий для возникновения давления в этой среде.
Вот какие метаморфозы звуковой волны возможны на границах разнородных сред.
КОГДА РЕЗОНАТОР УСИЛИВАЕТ
И КОГДА ОСЛАБЛЯЕТ ЗВУК
Резонанс -- резкое возрастание амплитуд... колебаний, наступающее при приближении частоты... внешнего воздействия к частоте одного из нормальных колебаний, свойственных данной колебательной системе.
Физический словарь
Некто смотрел из укрытия, как два льва вцепились в тело друг друга. На момент он отвернулся и когда вновь взглянул на место боя, то увидел, что противники исчезли: они съели друг друга. На земле виднелись лишь оставшиеся от них хвосты...
Из современной сказки
Кому не известно, что такое резонанс? "Резонанс -- это когда сильно мотает",-- сказал один студент, не подозревая, впрочем, что излагает житейским языком определение физического словаря. Интеллигент с большим читательским стажем уже приведет пример вредных последствий резонанса: "Знаете, почему разрушился Египетский мост в Петербурге? Потому, что воинская часть, проходившая по нему, не сменила команды "в ногу". Произошла усиленная вибрация, и вот..."
Мы, в свою очередь, приведем еще один, менее известный пример последствий резонанса. 2 марта 1905 года утром в день предстоявшего заседания II Государственной думы обвалился потолок в главном зале Таврического дворца. Причина -- работа небольшого электровентилятора на чердаке, включенного для проветривания зала перед заседанием Думы,
Александр Грин, которого знают как автора романтических и приключенческих повествований, был не чужд и жанру сатиры. Через несколько дней после описанного события в одной из столичных газет появилась его "Элегия", написанная в манере стихотворения Лермонтова "Когда волнуется желтеющая нива". Сатира Грина начиналась так:
Когда волнуется краснеющая Дума
И потолок трещит при звуке ветерка...
Концовка тоже созвучна лермонтовским строкам:
...Тогда смиряется души моей тревога;
И затаив мечты о воле и земле,
И истребив морщины на челе,
Сквозь потолок я вижу бога! ...
Это едва ли не единственная стихотворная ода резонансу, хотя и порожденная главным образом политическими причинами.
Но почему же все-таки мост не обрушивается и потолок не трещит в отсутствие резонанса? В простейшей упругоинерционной системе выше или ниже частоты резонанса сопротивления колебательному движению упругого или соответственно инерционного элемента достаточно велики. Лишь на частоте резонанса эти взаимно противодействующие сопротивления таинственным для непосвященного образом "съедают" друг друга (совсем как сказочные львы в эпиграфе), и остается лишь "хвостик" -- сопротивление трения, которое всегда меньше сопротивления упругости и массы. Амплитуда колебаний системы увеличивается во много раз, что и может привести к печальным последствиям.
О явлениях резонанса в механических системах уже говорилось выше. Перейдем к устройству, в котором осуществляется резонанс акустических элементов. Это простейший резонатор Гельмгольца -- сосуд, подобный колбе. Воздушная пробка в горле сосуда является акустическим элементом массы, внутренняя полость резонатора -- элементом упругости. При резонансе увеличиваются колебания воздушной пробки, в такт этому возрастает колебательное давление во внутренней полости резонатора по сравнению с давлением в свободном поле. Звуковую энергию для усиленных колебаний резонатор отбирает из окружающего его звукового поля.
Если к полости резонатора подвести трубку, другой конец которой приложить к уху, то можно убедиться в усиливающем действии резонатора. Такое устройство применялось для помощи людям с ослабленным слухом. Наборы резонаторов использовались в первых анализаторах звуковых спектров. Каждый из резонаторов был настроен на свою частоту и выделял в сложном звуковом спектре соответствующую спектральную составляющую.
Пещера с узким наружным входом тоже служит резонатором. Он усиливает звуки особенно низких частот; туристы и спелеологи знают, как сильно отдаются удары грома в подобных пещерах.
Впрочем, для осуществления резонанса совсем не обязательно иметь узкий и длинный вход. Резонатором может служить любая достаточно глубокая ниша, пусть даже одинакового поперечного сечения. Дальняя, примыкающая к жесткой стенке часть ее служит упругостью, а объем, граничащий с наружным пространством, -- массой. Переход от массы к упругости здесь более плавный, чем в колбообразном сосуде.
Любая бутылка, не заполненная жидкостью,-- тоже резонатор; убедиться в этом нетрудно. Один современный английский акустик, в частности, рассмотрел ее резонансные свойства в монографин "Акустика винной бутылки". Несмотря на игривое название, это -- серьезная научная работа, возможно, не столь значительная, как творение великого Кеплера "Стереометрия винных бочек", но уже не уступающая исследованию почти нашего современника Ч. Бойса "Мыльные пузыри", которое считается классическим.
Итак, резонатор усиливает звук, это совершенно ясно, не правда ли? Однако, как бы это странно ни звучало для некоторых, резонатор прежде всего... поглощает, то есть ослабляет звук. Противоречие здесь кажущееся. Все дело в том, о каком параметре колебательного процесса вести речь. Да, в полости резонатора усиливается в той или иной степени звуковое давление. Но при этом в нем всегда поглощается определенная звуковая энергия. В какой-то мере в этом смысле резонатор можно сравнить с электрическим трансформатором. Во вторичной обмотке повышающего трансформатора увеличивается электрическое напряжение по сравнению с напряжением в первичной обмотке. Но в то же время трансформатор, к сожалению, поглощает часть электрической энергии вследствие нагрева обмоток, вихревых токов в сердечнике и т. п.
Электрики стараются, насколько возможно, уменьшить эти потери. То же делали и акустики, создавая резонаторы с очень высокой добротностью для выделения отдельных составляющих в спектре анализируемого звука. Но вот кому-то пришла в голову идея увеличить поглощение в акустическом резонаторе с целью ослабления звука вблизи резонатора. Так родилось новое направление в теории и технике звукопоглощения -- резонансное звукопоглощение.
Целый ряд ученых в разных странах отдал ему дань: в СССР -- С. Н. Ржевкин, М. С. Анцыферов, В. С. Нестеров и другие, в США -- У. Мак Нэйр, в Англии -- Е. Пэрис, в Дании -- Ф. Ингерслев. Резонансное звукопоглощение осуществляется в более или менее узкой области относительно низких частот. Можно расширить ее, применив набор резонаторов, настроенных на различную частоту. Но если потребуется ослаблять звук на более высоких частотах, придется применить поглотители другого рода, о которых еще будет сказано ниже.
Как же практически осуществлять устройство резонансного поглощения для ослабления звука в помещениях? Неужели вмазывать в стены колбо- или бутылкообразные сосуды? Нет, современная строительная практика нашла более удобные конструкции. На некотором расстоянии от стены или потолка помещения устанавливается более или менее толстый перфорированный лист. Отверстия в листе играют роль горлышек резонаторов Гельмгольца, а пространство между листом и стенкой -- роль полостей.
Теперь возникает следующий вопрос: где разместить дополнительный звукопоглощающий элемент, увеличивающий потери в резонаторе? В районе горлышка резонатора колебательная скорость частиц среды наибольшая и, следовательно, наибольшими будут потери на трение. Здесь и помещают слой волокнистого материала или толстой ткани, который с успехом выполняет функцию поглотителя звука.
Такими или подобными системами резонансного поглощения можно оборудовать стены или потолки помещений. Вместо перфорированных панелей иногда устанавливают наборы вертикальных реек с зазором относительно друг друга. Получается так называемый щелевой резонансный поглотитель, которому можно придать очень красивый вид, соответствующий современным архитектурным тенденциям.
Известно, что для хорошего восприятия музыки и речи зал должен иметь ту или иную степень гулкости; акустики в этом случае говорят о "времени реверберации помещения". Время реверберации можно менять, устанавливая дополнительные звукопоглотители, в том числе резонансные.
Сам зал, собственно, это тоже резонатор. Но, в отличие от резонирующих сосудов, у него много собственных частот. Чаще требуется, как только что сказано, заглушать колебания на этих частотах, но иногда зал сам по себе оказывается заглушенным в той или иной области частот; для более полного звучания музыки, вокальной речи требуется выделить эти области частот. Встает вопрос о "поддерживаемом" резонансе зала. Такой поддерживаемый с помощью электроакустической аппаратуры резонанс осуществлен, например, в зале Ройял Фестиваль Холл в Лондоне.
Колбообразные сосуды, различные ниши и впадины, даже, наконец, целые помещения, -- все это как-то еще сообразуется с представлением о резонансных системах. Но есть резонаторы и там, где трудно это предположить. Что бы вы сказали о пузырьке воздуха или газа в жидкости, например, в стакане с нарзаном? Немецкий акустик Э. Мейер, первый лауреат золотой медали имени великого физика Рэлея, открыл это еще в 30--40-е годы. Упругим элементом в резонирующем пузырьке служит объем газа, а инерционным -- масса воды, участвующая в колебаниях внешней поверхности пузырька. Принимая в 1971 году от Английского акустического общества медаль имени Рэлея, Мейер в ответной речи сообщил, что звукопоглощающие пузырьки в жидкости, делающие "глухим" звеневший до этого хрустальный бокал с шипучим шампанским, подсказали ему идею подводного звукопоглотителя из слоя пластмассы с внутренними воздушными полостями. Он не преминул отметить, что подобный гидроакустический звукопоглотитель, названный им "Альберихом", использовался на гитлеровских подводных лодках для защиты от обнаружения их гидролокаторами союзников.
В последнее время румынский ученый Грумезэску много занимался вопросами взаимодействия резонирующих систем со звуковым полем. Плодом работ Грумезэску явился прочитанный им на одном из последних конгрессов по акустике пространный доклад, название которого мы почти дословно повторили в заголовке этого раздела. Из доклада читатель может узнать еще и о других интересных примерах усиления и поглощения звука различными резонаторами,
ЧТО ВЗЯТЬ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗВУКА:
ВАТНОЕ ОДЕЯЛО ИЛИ КРОВЕЛЬНОЕ ЖЕЛЕЗО?
Тебе удивляться нимало не надо,
Что сквозь преграды, глазам
ничего не дающие видеть,
Звуки доходят до нас и
касаются нашего слуха.
Лукреции Кар. О природе вещей Кн.4
Массу стенки увеличим в
десять раз -
Втрое-вчетверо шум снизится у нас
(Предлагается в качестве хороводной )
Раскроем цитированное в эпиграфе творение римского философа-материалиста и писателя Лукреция, Если извлечь из этого творения все высказывания, касающиеся звука, то можно из них одних составить небольшую, но полную интересных наблюдений книгу по акустике. И приведенное нами извлечение как бы убеждает читателя: да, не нужно удивляться, даже каменные стены могут пропускать звук.
До поры до времени человечество как-то мирилось с этим. Но по мере роста "акустической загрязненности" среды, увы, неизменно сопутствующего развитию цивилизации, усилилась необходимость исследовать процесс прохождения звука через различные ограждения и научиться по возможности препятствовать этому процессу.
Интуитивно можно было предполагать, что в явлении изоляции, то есть "непропускания", звука значительную роль играет масса любой строительной конструкции -- стенки, пола и т. п. А. Шох дал этому строгое доказательство. Но одно дело физические величины-- звуковое давление, звуковая энергия, проходящие через стенку, и совсем другое дело -- имеющий при этом место физиологический эффект, т.е. снижение ощущения громкости шума за стенкой. Во второй части книги физиологической акустике будет уделено достаточное внимание, здесь же мы отметим лишь, что при учете снижения громкости шума в дело неизбежно вмешивается логарифмический закон. А этот закон в вопросах звукоизоляции ведет к довольно серьезным последствиям с точки зрения массы конструкций.
Пусть имеется весьма легкая звукоизолирующая стенка (скажем, масса ее на единицу площади не превышает 1 килограмма на квадратный метр), и мы, с целью увеличения звукоизоляции, заменим ее вдесятеро более тяжелой стенкой, т. е. с удельной массой 10 килограммов на квадратный метр. Громкость шума какого-либо акустического источника, находящегося за стенкой, уменьшится в определенное число раз (не приводя объяснений, которые нас завели бы далеко, укажем, что эта громкость уменьшится не более чем в 3--4 раза). Но вот беда, оказалось, что это уменьшение громкости недостаточно и надо уменьшить ее, скажем, еще во столько же раз. Потребуется, следуя логарифмическому закону, увеличить массу стенки опять в 10 раз, т. е. с 10 до 100 килограммов на квадратный метр.
"Закон массы" в действии: каждое увеличение массы стенки
в три раза уменьшает громкость проходящего через стенку шума
приблизительно в два раза.
Неумолимый акустический "закон массы" оборачивается для строителей и эксплуатационников довольно неприятными последствиями.
Слабым утешением является то, что теперь мы уже можем ответить на вопрос, поставленный в заголовке. Лист железа все же. тяжелее ватного одеяла той же площади, и этот лист с точки зрения звукоизоляции следует предпочесть одеялу. Впрочем, дело не только в массе, но и в том, что для обеспечения звукоизоляции материал должен быть не рыхлым, а плотным, без пор и пустот, проводящих звук, как это имеет место в том же слое ваты.
Впрочем, следует ли полностью отвергать одеяло? Звукоизолирующий материал отбрасывает звуковую энергию обратно, и если ее не поглотить, то неизбежно увеличение звукового уровня в помещении источника, а следовательно, и в самом изолируемом помещении. Оптимальным является сочетание звукоизолирующей конструкции со звукопоглощающей. Так собственно, и осуществляют звукоизолирующие кожухи и капоты для шумящих механизмов: стальные стенки с нанесенными изнутри на них слоями рыхлых волокнистых или пористых материалов.
Итак, можно сказать: "звукоизоляция любит массу". Но...
Едва лишь строительные и архитектурные акустики начали понемногу привыкать к неумолимому "закону массы", как на сцене появился незнакомец, который более чем что-либо другое (кроме сквозных отверстий) ухудшает звукоизоляцию стенок в области максимальной чувствительности слуха. Разумеется, это не живое существо, а процесс. Но прежде -- два слова истории.
Еще в 1941 году С. Н. Ржевкин с одним из своих сотрудников наблюдали аномальное - прохождение звука через пластинки. При некоторых частотах колебаний и углах падения звуковой волны на пластинку наблюдалось интенсивное прохождение через нее звука. Удовлетворительного объяснения этому явлению подыскать тогда не удалось.
Несколько позже Л. Кремер, производя теоретический анализ взаимодействия звукоизолирующих стенок со звуковым полем, открыл так называемый резонанс совпадения. Суть его заключается в том, что при равенстве фазовой скорости звуковой волны вдоль поверхности пластины (а эта скорость является в данном случае не чем иным, как проекцией на плоскость пластины вектора скорости в падающей волне) и скорости изгибных волн в пластине падающая волна должна полностью пройти через пластину. Иными словами, при данной частоте и данном угле падения звука звукоизоляция пластины будет равна нулю (если в ней нет потерь энергии).
Мы уже касались ранее резонансных явлений, преимущественно в акустических системах, малых по сравнению с длиной звуковой волны. Неизбежно пойдет речь о резонансах и при последующем рассмот
При увеличении толщины стенки звукоизоляция на низких и средних частотах увеличивается, но "коварный" резонанс совпадения, вызывающий ухудшение звукоизоляции, начинает проявляться на более низких частотах и захватывает более широкую их область.
рении виброизоляции в механических системах. Резонанс совпадения -своеобразнейший из резонансов. Прежде всего, это пространственный резонанс; при его возникновении пластина (стенка) взаимодействует со звуковым полем не в точке или локальной области, а по определенной, обычно достаточно большой площади.
А как ведут себя частоты "обычных" резонансов в зависимости от основных параметров колебательных резонирующих систем? Практически каждому человеку хоть раз довелось наблюдать, что чем большая масса подвешивается к крючку безмена, тем ниже частота колебаний этой массы на пружине безмена. Частота акустического резонатора, собственные частоты пластинок или стержней также тем ниже, чем больше массы и чем меньше жесткости соответствующих элементов. Частота же резонанса совпадения, наоборот, возрастает с увеличением массы и уменьшением жесткости пластин, на которые падает звук.
Наконец, обычные резонансы проявляются, как правило, в достаточно узкой полосе частот. Частота резонанса совпадения зависит от угла падения звука. А так как в диффузном, размешанном звуковом поле все углы падения звука на пластину равновероятны, то при этом виде поля, характерном для большинства помещений, полоса частот резонанса совпадения каждой перегородки или стенки (а следовательно, и полоса частот, в которой перегородка или стенка пропускает звук) достаточно широка.
"Дефективный" резонанс совпадения обусловил довольно противоречивую картину зависимости звукоизоляции от толщины стенки. С одной стороны, увеличение толщины стенки согласно "закону массы" увеличивает звукоизоляцию. Но с другой стороны, поскольку при этом уменьшается отношение массы стенки к ее изгибной жесткости, ухудшающий звукоизоляцию резонанс совпадения проявляется на более низких частотах и захватывает более широкую полосу частот.
Где выход? Тот же Л. Кремер предложил делать тонкие пропилы в стенках на определенную глубину. Не изменяя практически массу стенки, эти пропилы резко уменьшают ее жесткость, и частота резонанса совпадения перемещается в более высокую область частот. У свинцовых же звукоизолирующих перегородок, например, благодаря их большой массе и весьма малой жесткости, резонанс совпадения находится в неслышимой ультразвуковой области частот.
Кирпичные стены. Это -- масса, а значит, и звукоизоляция. И резонанс совпадения по некоторым причинам здесь проявляется слабее. Но кирпичные стены не поставишь на теплоход или самолет. Нужно "обмануть" закон массы; нужны облегченные, но хорошо изолирующие звук устройства. В какой-то мере это удается достичь применением двухстенных конструкций. Воздушный промежуток между стенками с точки зрения увеличения эффекта звукоизоляции -примерно то же, что воздушный слой между стеклами оконной рамы для увеличения теплоизоляции.
Ширина воздушного слоя между стенками, влияет ли она на величину звукоизоляции? Одно время, ссылаясь на возникающие в воздушном слое резонансы объема воздуха, утверждали, что существует оптимальная ширина воздушного зазора в двухстенной конструкции и что больше определенной величины этот зазор делать не следует, иначе резонансы будут возникать с более низких частот и захватят более широкую их область. Опыт показал, что при наличии в зазоре звукопоглощающих материалов бояться этих резонансов нечего.
Таким образом, чем больше зазор между стенками, тем выше звукоизоляция двухстенной конструкции. Л. Кремер в возглавляемом им Институте технической акустики демонстрировал советским специалистам двухстенную конструкцию из стеклоблоков с зазором между стенками, достигающим почти метра. Конструкция предназначалась для световых проемов в баптистской церкви, находящейся на одном из самых шумных перекрестков Западного Берлина. Как выяснилось, прихожане этой церкви не могли с должной сосредоточенностью совершать обряды даже при малейшем шуме. Последовало обращение, во имя бога, к строительным акустикам, подкрепленное, впрочем, земными, финансовыми стимулами. Разработанная световая конструкция обеспечивала звукоизоляцию до 80 децибелов, что не уступает звукоизоляции кирпичной стены, имеющей значительно большую массу.
Влияние "закона массы" на звукоизоляцию по-разному проявляется в конструкциях различной площади. Значительную роль играют характер заделки звукоизолирующей стенки по контуру и вид элементов, связывающих между собой стенки в двухстенной конструкции. Эти и другие вопросы применительно к изоляции воздушного и ударного шума (последний имеет место в конструкциях полов) исследовались ведущими советскими строительными акустиками С. П. Алексеевым, И. И. Боголеповым, В. И. Заборовым, С. Д. Ковригиным, М. С. Седовым и другими, во многом содействовавшими внедрению эффективных звукоизолирующих конструкций в строительстве, на производстве и на транспорте.
ВОЗМОЖНО ЛИ ПОДСЛУШИВАНИЕ
ЧЕРЕЗ ЗАМОЧНУЮ СКВАЖИНУ?
Если под этим понимать допустимость подслушивания, то каждый считающий себя воспитанным человек должен был бы ответить отрицательно. Но нас интересует не этическая, а физическая сторона вопроса, и тут ответ будет положительным.
Ну, и что же? Тривиальная вещь, скажет иной читатель. Но он, пожалуй, изменит свое мнение, если узнает следующее: через скважину можно подслушивать из соседней комнаты даже такую тихую речь, что человек, находящийся в одной комнате с говорящим (но, естественно, в известном отдалении от него, скажем, у стены вблизи двери), уже не в состоянии эту речь отчетливо воспринять.
В самом общем виде дифракцию волн можно определить как явление взаимодействия волн с каким-либо препятствием, находящимся на пути их распространения. Следствием такого взаимодействия могут являться огибание препятствий волной, рассеяние колебательной энергии, интерференционные картины (например, в дифракционной решетке). Усиленная звукопроводность щелей и отверстий в жестких стенках -- одно из своеобразных проявлений дифракции звука. Первым еще в 30-х годах нашего века обратил внимание на это явление немецкий акустик Вагнер.
Не будь этого явления, в скольких романах Дюма и других авторов потерялся бы повод для драматических завязок или пикантных ситуаций! Но как же оно протекает? Звук от источника, падающий по большой площади на жесткую непоглощающую стенку, рассеивается в разные стороны. Так как, согласно принципу Гюйгенса, каждая точка фронта волны сама является источником сферической волны, то к отверстию помимо прямого звукового луча от источника придет часть энергии звука, рассеянного прилежащей к отверстию площадью стены. В результате плотность звуковой энергии увеличивается, а отверстие, ввиду малого акустического сопротивления по сравнению с сопротивлением стенки, проводит эту энергию в соседнее помещение. Образуется как бы акустическая воронка. Вагнер показал экспериментально, что влияние отражения звука от стенок как бы равноценно увеличению площади звукопроводящего отверстия во много раз.
И здесь можно провести аналогию с мечущимся по комнате лектором. При всем желании он не в состоянии раскачать ногой кирпичную стену, то есть колебательная скорость во второй среде близка к нулю.
У любознательного читателя мог бы возникнуть еще вопрос: а что будет наблюдаться при обратном переходе звука -- из среды с весьма большим акустическим сопротивлением в среду с малым акустическим сопротивлением?
На границе среды с большим акустическим сопротивлением звуковое давление почти удваивается (хотя в нее переходит лишь ничтожная часть звуковой энергии). Кричать над поверхностью воды -- верный способ распугать рыб, слуховой аппарат которых, как и у большинства живых существ, реагирует на величину звукового давления.
Можно показать, что и в этом случае перейдет лишь ничтожная часть звуковой энергии, но здесь уже колебательная скорость во второй среде будет близка к удвоенному значению, а звуковое давление в ней близко к нулю. Вот почему до нас не доносится в воздухе звук от удара одного камня о другой (хотя ныряльщик, проделывающий это, сам слышит довольно интенсивный шум, несмотря даже на изолирующие воздушные пробки в ушах),
А что же наш демонстратор, может ли он предложить для этого случая какую-либо "мнемоническую модель"? Если он прикрепит вертикально к ножкам стола лист плотной бумаги (которая в данном случае будет изображать первую среду -- с большим акустическим сопротивлением) и его нога, по-прежнему представляющая звуковую волну, прорвет этот лист, то ясно, что скорость ноги в момент прорыва возрастет, но поскольку за листом нога встречает воздушную среду, не оказывающую никакого сопротивления, то нет и условий для возникновения давления в этой среде.
Вот какие метаморфозы звуковой волны возможны на границах разнородных сред.
КОГДА РЕЗОНАТОР УСИЛИВАЕТ
И КОГДА ОСЛАБЛЯЕТ ЗВУК
Резонанс -- резкое возрастание амплитуд... колебаний, наступающее при приближении частоты... внешнего воздействия к частоте одного из нормальных колебаний, свойственных данной колебательной системе.
Физический словарь
Некто смотрел из укрытия, как два льва вцепились в тело друг друга. На момент он отвернулся и когда вновь взглянул на место боя, то увидел, что противники исчезли: они съели друг друга. На земле виднелись лишь оставшиеся от них хвосты...
Из современной сказки
Кому не известно, что такое резонанс? "Резонанс -- это когда сильно мотает",-- сказал один студент, не подозревая, впрочем, что излагает житейским языком определение физического словаря. Интеллигент с большим читательским стажем уже приведет пример вредных последствий резонанса: "Знаете, почему разрушился Египетский мост в Петербурге? Потому, что воинская часть, проходившая по нему, не сменила команды "в ногу". Произошла усиленная вибрация, и вот..."
Мы, в свою очередь, приведем еще один, менее известный пример последствий резонанса. 2 марта 1905 года утром в день предстоявшего заседания II Государственной думы обвалился потолок в главном зале Таврического дворца. Причина -- работа небольшого электровентилятора на чердаке, включенного для проветривания зала перед заседанием Думы,
Александр Грин, которого знают как автора романтических и приключенческих повествований, был не чужд и жанру сатиры. Через несколько дней после описанного события в одной из столичных газет появилась его "Элегия", написанная в манере стихотворения Лермонтова "Когда волнуется желтеющая нива". Сатира Грина начиналась так:
Когда волнуется краснеющая Дума
И потолок трещит при звуке ветерка...
Концовка тоже созвучна лермонтовским строкам:
...Тогда смиряется души моей тревога;
И затаив мечты о воле и земле,
И истребив морщины на челе,
Сквозь потолок я вижу бога! ...
Это едва ли не единственная стихотворная ода резонансу, хотя и порожденная главным образом политическими причинами.
Но почему же все-таки мост не обрушивается и потолок не трещит в отсутствие резонанса? В простейшей упругоинерционной системе выше или ниже частоты резонанса сопротивления колебательному движению упругого или соответственно инерционного элемента достаточно велики. Лишь на частоте резонанса эти взаимно противодействующие сопротивления таинственным для непосвященного образом "съедают" друг друга (совсем как сказочные львы в эпиграфе), и остается лишь "хвостик" -- сопротивление трения, которое всегда меньше сопротивления упругости и массы. Амплитуда колебаний системы увеличивается во много раз, что и может привести к печальным последствиям.
О явлениях резонанса в механических системах уже говорилось выше. Перейдем к устройству, в котором осуществляется резонанс акустических элементов. Это простейший резонатор Гельмгольца -- сосуд, подобный колбе. Воздушная пробка в горле сосуда является акустическим элементом массы, внутренняя полость резонатора -- элементом упругости. При резонансе увеличиваются колебания воздушной пробки, в такт этому возрастает колебательное давление во внутренней полости резонатора по сравнению с давлением в свободном поле. Звуковую энергию для усиленных колебаний резонатор отбирает из окружающего его звукового поля.
Если к полости резонатора подвести трубку, другой конец которой приложить к уху, то можно убедиться в усиливающем действии резонатора. Такое устройство применялось для помощи людям с ослабленным слухом. Наборы резонаторов использовались в первых анализаторах звуковых спектров. Каждый из резонаторов был настроен на свою частоту и выделял в сложном звуковом спектре соответствующую спектральную составляющую.
Пещера с узким наружным входом тоже служит резонатором. Он усиливает звуки особенно низких частот; туристы и спелеологи знают, как сильно отдаются удары грома в подобных пещерах.
Впрочем, для осуществления резонанса совсем не обязательно иметь узкий и длинный вход. Резонатором может служить любая достаточно глубокая ниша, пусть даже одинакового поперечного сечения. Дальняя, примыкающая к жесткой стенке часть ее служит упругостью, а объем, граничащий с наружным пространством, -- массой. Переход от массы к упругости здесь более плавный, чем в колбообразном сосуде.
Любая бутылка, не заполненная жидкостью,-- тоже резонатор; убедиться в этом нетрудно. Один современный английский акустик, в частности, рассмотрел ее резонансные свойства в монографин "Акустика винной бутылки". Несмотря на игривое название, это -- серьезная научная работа, возможно, не столь значительная, как творение великого Кеплера "Стереометрия винных бочек", но уже не уступающая исследованию почти нашего современника Ч. Бойса "Мыльные пузыри", которое считается классическим.
Итак, резонатор усиливает звук, это совершенно ясно, не правда ли? Однако, как бы это странно ни звучало для некоторых, резонатор прежде всего... поглощает, то есть ослабляет звук. Противоречие здесь кажущееся. Все дело в том, о каком параметре колебательного процесса вести речь. Да, в полости резонатора усиливается в той или иной степени звуковое давление. Но при этом в нем всегда поглощается определенная звуковая энергия. В какой-то мере в этом смысле резонатор можно сравнить с электрическим трансформатором. Во вторичной обмотке повышающего трансформатора увеличивается электрическое напряжение по сравнению с напряжением в первичной обмотке. Но в то же время трансформатор, к сожалению, поглощает часть электрической энергии вследствие нагрева обмоток, вихревых токов в сердечнике и т. п.
Электрики стараются, насколько возможно, уменьшить эти потери. То же делали и акустики, создавая резонаторы с очень высокой добротностью для выделения отдельных составляющих в спектре анализируемого звука. Но вот кому-то пришла в голову идея увеличить поглощение в акустическом резонаторе с целью ослабления звука вблизи резонатора. Так родилось новое направление в теории и технике звукопоглощения -- резонансное звукопоглощение.
Целый ряд ученых в разных странах отдал ему дань: в СССР -- С. Н. Ржевкин, М. С. Анцыферов, В. С. Нестеров и другие, в США -- У. Мак Нэйр, в Англии -- Е. Пэрис, в Дании -- Ф. Ингерслев. Резонансное звукопоглощение осуществляется в более или менее узкой области относительно низких частот. Можно расширить ее, применив набор резонаторов, настроенных на различную частоту. Но если потребуется ослаблять звук на более высоких частотах, придется применить поглотители другого рода, о которых еще будет сказано ниже.
Как же практически осуществлять устройство резонансного поглощения для ослабления звука в помещениях? Неужели вмазывать в стены колбо- или бутылкообразные сосуды? Нет, современная строительная практика нашла более удобные конструкции. На некотором расстоянии от стены или потолка помещения устанавливается более или менее толстый перфорированный лист. Отверстия в листе играют роль горлышек резонаторов Гельмгольца, а пространство между листом и стенкой -- роль полостей.
Теперь возникает следующий вопрос: где разместить дополнительный звукопоглощающий элемент, увеличивающий потери в резонаторе? В районе горлышка резонатора колебательная скорость частиц среды наибольшая и, следовательно, наибольшими будут потери на трение. Здесь и помещают слой волокнистого материала или толстой ткани, который с успехом выполняет функцию поглотителя звука.
Такими или подобными системами резонансного поглощения можно оборудовать стены или потолки помещений. Вместо перфорированных панелей иногда устанавливают наборы вертикальных реек с зазором относительно друг друга. Получается так называемый щелевой резонансный поглотитель, которому можно придать очень красивый вид, соответствующий современным архитектурным тенденциям.
Известно, что для хорошего восприятия музыки и речи зал должен иметь ту или иную степень гулкости; акустики в этом случае говорят о "времени реверберации помещения". Время реверберации можно менять, устанавливая дополнительные звукопоглотители, в том числе резонансные.
Сам зал, собственно, это тоже резонатор. Но, в отличие от резонирующих сосудов, у него много собственных частот. Чаще требуется, как только что сказано, заглушать колебания на этих частотах, но иногда зал сам по себе оказывается заглушенным в той или иной области частот; для более полного звучания музыки, вокальной речи требуется выделить эти области частот. Встает вопрос о "поддерживаемом" резонансе зала. Такой поддерживаемый с помощью электроакустической аппаратуры резонанс осуществлен, например, в зале Ройял Фестиваль Холл в Лондоне.
Колбообразные сосуды, различные ниши и впадины, даже, наконец, целые помещения, -- все это как-то еще сообразуется с представлением о резонансных системах. Но есть резонаторы и там, где трудно это предположить. Что бы вы сказали о пузырьке воздуха или газа в жидкости, например, в стакане с нарзаном? Немецкий акустик Э. Мейер, первый лауреат золотой медали имени великого физика Рэлея, открыл это еще в 30--40-е годы. Упругим элементом в резонирующем пузырьке служит объем газа, а инерционным -- масса воды, участвующая в колебаниях внешней поверхности пузырька. Принимая в 1971 году от Английского акустического общества медаль имени Рэлея, Мейер в ответной речи сообщил, что звукопоглощающие пузырьки в жидкости, делающие "глухим" звеневший до этого хрустальный бокал с шипучим шампанским, подсказали ему идею подводного звукопоглотителя из слоя пластмассы с внутренними воздушными полостями. Он не преминул отметить, что подобный гидроакустический звукопоглотитель, названный им "Альберихом", использовался на гитлеровских подводных лодках для защиты от обнаружения их гидролокаторами союзников.
В последнее время румынский ученый Грумезэску много занимался вопросами взаимодействия резонирующих систем со звуковым полем. Плодом работ Грумезэску явился прочитанный им на одном из последних конгрессов по акустике пространный доклад, название которого мы почти дословно повторили в заголовке этого раздела. Из доклада читатель может узнать еще и о других интересных примерах усиления и поглощения звука различными резонаторами,
ЧТО ВЗЯТЬ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗВУКА:
ВАТНОЕ ОДЕЯЛО ИЛИ КРОВЕЛЬНОЕ ЖЕЛЕЗО?
Тебе удивляться нимало не надо,
Что сквозь преграды, глазам
ничего не дающие видеть,
Звуки доходят до нас и
касаются нашего слуха.
Лукреции Кар. О природе вещей Кн.4
Массу стенки увеличим в
десять раз -
Втрое-вчетверо шум снизится у нас
(Предлагается в качестве хороводной )
Раскроем цитированное в эпиграфе творение римского философа-материалиста и писателя Лукреция, Если извлечь из этого творения все высказывания, касающиеся звука, то можно из них одних составить небольшую, но полную интересных наблюдений книгу по акустике. И приведенное нами извлечение как бы убеждает читателя: да, не нужно удивляться, даже каменные стены могут пропускать звук.
До поры до времени человечество как-то мирилось с этим. Но по мере роста "акустической загрязненности" среды, увы, неизменно сопутствующего развитию цивилизации, усилилась необходимость исследовать процесс прохождения звука через различные ограждения и научиться по возможности препятствовать этому процессу.
Интуитивно можно было предполагать, что в явлении изоляции, то есть "непропускания", звука значительную роль играет масса любой строительной конструкции -- стенки, пола и т. п. А. Шох дал этому строгое доказательство. Но одно дело физические величины-- звуковое давление, звуковая энергия, проходящие через стенку, и совсем другое дело -- имеющий при этом место физиологический эффект, т.е. снижение ощущения громкости шума за стенкой. Во второй части книги физиологической акустике будет уделено достаточное внимание, здесь же мы отметим лишь, что при учете снижения громкости шума в дело неизбежно вмешивается логарифмический закон. А этот закон в вопросах звукоизоляции ведет к довольно серьезным последствиям с точки зрения массы конструкций.
Пусть имеется весьма легкая звукоизолирующая стенка (скажем, масса ее на единицу площади не превышает 1 килограмма на квадратный метр), и мы, с целью увеличения звукоизоляции, заменим ее вдесятеро более тяжелой стенкой, т. е. с удельной массой 10 килограммов на квадратный метр. Громкость шума какого-либо акустического источника, находящегося за стенкой, уменьшится в определенное число раз (не приводя объяснений, которые нас завели бы далеко, укажем, что эта громкость уменьшится не более чем в 3--4 раза). Но вот беда, оказалось, что это уменьшение громкости недостаточно и надо уменьшить ее, скажем, еще во столько же раз. Потребуется, следуя логарифмическому закону, увеличить массу стенки опять в 10 раз, т. е. с 10 до 100 килограммов на квадратный метр.
"Закон массы" в действии: каждое увеличение массы стенки
в три раза уменьшает громкость проходящего через стенку шума
приблизительно в два раза.
Неумолимый акустический "закон массы" оборачивается для строителей и эксплуатационников довольно неприятными последствиями.
Слабым утешением является то, что теперь мы уже можем ответить на вопрос, поставленный в заголовке. Лист железа все же. тяжелее ватного одеяла той же площади, и этот лист с точки зрения звукоизоляции следует предпочесть одеялу. Впрочем, дело не только в массе, но и в том, что для обеспечения звукоизоляции материал должен быть не рыхлым, а плотным, без пор и пустот, проводящих звук, как это имеет место в том же слое ваты.
Впрочем, следует ли полностью отвергать одеяло? Звукоизолирующий материал отбрасывает звуковую энергию обратно, и если ее не поглотить, то неизбежно увеличение звукового уровня в помещении источника, а следовательно, и в самом изолируемом помещении. Оптимальным является сочетание звукоизолирующей конструкции со звукопоглощающей. Так собственно, и осуществляют звукоизолирующие кожухи и капоты для шумящих механизмов: стальные стенки с нанесенными изнутри на них слоями рыхлых волокнистых или пористых материалов.
Итак, можно сказать: "звукоизоляция любит массу". Но...
Едва лишь строительные и архитектурные акустики начали понемногу привыкать к неумолимому "закону массы", как на сцене появился незнакомец, который более чем что-либо другое (кроме сквозных отверстий) ухудшает звукоизоляцию стенок в области максимальной чувствительности слуха. Разумеется, это не живое существо, а процесс. Но прежде -- два слова истории.
Еще в 1941 году С. Н. Ржевкин с одним из своих сотрудников наблюдали аномальное - прохождение звука через пластинки. При некоторых частотах колебаний и углах падения звуковой волны на пластинку наблюдалось интенсивное прохождение через нее звука. Удовлетворительного объяснения этому явлению подыскать тогда не удалось.
Несколько позже Л. Кремер, производя теоретический анализ взаимодействия звукоизолирующих стенок со звуковым полем, открыл так называемый резонанс совпадения. Суть его заключается в том, что при равенстве фазовой скорости звуковой волны вдоль поверхности пластины (а эта скорость является в данном случае не чем иным, как проекцией на плоскость пластины вектора скорости в падающей волне) и скорости изгибных волн в пластине падающая волна должна полностью пройти через пластину. Иными словами, при данной частоте и данном угле падения звука звукоизоляция пластины будет равна нулю (если в ней нет потерь энергии).
Мы уже касались ранее резонансных явлений, преимущественно в акустических системах, малых по сравнению с длиной звуковой волны. Неизбежно пойдет речь о резонансах и при последующем рассмот
При увеличении толщины стенки звукоизоляция на низких и средних частотах увеличивается, но "коварный" резонанс совпадения, вызывающий ухудшение звукоизоляции, начинает проявляться на более низких частотах и захватывает более широкую их область.
рении виброизоляции в механических системах. Резонанс совпадения -своеобразнейший из резонансов. Прежде всего, это пространственный резонанс; при его возникновении пластина (стенка) взаимодействует со звуковым полем не в точке или локальной области, а по определенной, обычно достаточно большой площади.
А как ведут себя частоты "обычных" резонансов в зависимости от основных параметров колебательных резонирующих систем? Практически каждому человеку хоть раз довелось наблюдать, что чем большая масса подвешивается к крючку безмена, тем ниже частота колебаний этой массы на пружине безмена. Частота акустического резонатора, собственные частоты пластинок или стержней также тем ниже, чем больше массы и чем меньше жесткости соответствующих элементов. Частота же резонанса совпадения, наоборот, возрастает с увеличением массы и уменьшением жесткости пластин, на которые падает звук.
Наконец, обычные резонансы проявляются, как правило, в достаточно узкой полосе частот. Частота резонанса совпадения зависит от угла падения звука. А так как в диффузном, размешанном звуковом поле все углы падения звука на пластину равновероятны, то при этом виде поля, характерном для большинства помещений, полоса частот резонанса совпадения каждой перегородки или стенки (а следовательно, и полоса частот, в которой перегородка или стенка пропускает звук) достаточно широка.
"Дефективный" резонанс совпадения обусловил довольно противоречивую картину зависимости звукоизоляции от толщины стенки. С одной стороны, увеличение толщины стенки согласно "закону массы" увеличивает звукоизоляцию. Но с другой стороны, поскольку при этом уменьшается отношение массы стенки к ее изгибной жесткости, ухудшающий звукоизоляцию резонанс совпадения проявляется на более низких частотах и захватывает более широкую полосу частот.
Где выход? Тот же Л. Кремер предложил делать тонкие пропилы в стенках на определенную глубину. Не изменяя практически массу стенки, эти пропилы резко уменьшают ее жесткость, и частота резонанса совпадения перемещается в более высокую область частот. У свинцовых же звукоизолирующих перегородок, например, благодаря их большой массе и весьма малой жесткости, резонанс совпадения находится в неслышимой ультразвуковой области частот.
Кирпичные стены. Это -- масса, а значит, и звукоизоляция. И резонанс совпадения по некоторым причинам здесь проявляется слабее. Но кирпичные стены не поставишь на теплоход или самолет. Нужно "обмануть" закон массы; нужны облегченные, но хорошо изолирующие звук устройства. В какой-то мере это удается достичь применением двухстенных конструкций. Воздушный промежуток между стенками с точки зрения увеличения эффекта звукоизоляции -примерно то же, что воздушный слой между стеклами оконной рамы для увеличения теплоизоляции.
Ширина воздушного слоя между стенками, влияет ли она на величину звукоизоляции? Одно время, ссылаясь на возникающие в воздушном слое резонансы объема воздуха, утверждали, что существует оптимальная ширина воздушного зазора в двухстенной конструкции и что больше определенной величины этот зазор делать не следует, иначе резонансы будут возникать с более низких частот и захватят более широкую их область. Опыт показал, что при наличии в зазоре звукопоглощающих материалов бояться этих резонансов нечего.
Таким образом, чем больше зазор между стенками, тем выше звукоизоляция двухстенной конструкции. Л. Кремер в возглавляемом им Институте технической акустики демонстрировал советским специалистам двухстенную конструкцию из стеклоблоков с зазором между стенками, достигающим почти метра. Конструкция предназначалась для световых проемов в баптистской церкви, находящейся на одном из самых шумных перекрестков Западного Берлина. Как выяснилось, прихожане этой церкви не могли с должной сосредоточенностью совершать обряды даже при малейшем шуме. Последовало обращение, во имя бога, к строительным акустикам, подкрепленное, впрочем, земными, финансовыми стимулами. Разработанная световая конструкция обеспечивала звукоизоляцию до 80 децибелов, что не уступает звукоизоляции кирпичной стены, имеющей значительно большую массу.
Влияние "закона массы" на звукоизоляцию по-разному проявляется в конструкциях различной площади. Значительную роль играют характер заделки звукоизолирующей стенки по контуру и вид элементов, связывающих между собой стенки в двухстенной конструкции. Эти и другие вопросы применительно к изоляции воздушного и ударного шума (последний имеет место в конструкциях полов) исследовались ведущими советскими строительными акустиками С. П. Алексеевым, И. И. Боголеповым, В. И. Заборовым, С. Д. Ковригиным, М. С. Седовым и другими, во многом содействовавшими внедрению эффективных звукоизолирующих конструкций в строительстве, на производстве и на транспорте.
ВОЗМОЖНО ЛИ ПОДСЛУШИВАНИЕ
ЧЕРЕЗ ЗАМОЧНУЮ СКВАЖИНУ?
Если под этим понимать допустимость подслушивания, то каждый считающий себя воспитанным человек должен был бы ответить отрицательно. Но нас интересует не этическая, а физическая сторона вопроса, и тут ответ будет положительным.
Ну, и что же? Тривиальная вещь, скажет иной читатель. Но он, пожалуй, изменит свое мнение, если узнает следующее: через скважину можно подслушивать из соседней комнаты даже такую тихую речь, что человек, находящийся в одной комнате с говорящим (но, естественно, в известном отдалении от него, скажем, у стены вблизи двери), уже не в состоянии эту речь отчетливо воспринять.
В самом общем виде дифракцию волн можно определить как явление взаимодействия волн с каким-либо препятствием, находящимся на пути их распространения. Следствием такого взаимодействия могут являться огибание препятствий волной, рассеяние колебательной энергии, интерференционные картины (например, в дифракционной решетке). Усиленная звукопроводность щелей и отверстий в жестких стенках -- одно из своеобразных проявлений дифракции звука. Первым еще в 30-х годах нашего века обратил внимание на это явление немецкий акустик Вагнер.
Не будь этого явления, в скольких романах Дюма и других авторов потерялся бы повод для драматических завязок или пикантных ситуаций! Но как же оно протекает? Звук от источника, падающий по большой площади на жесткую непоглощающую стенку, рассеивается в разные стороны. Так как, согласно принципу Гюйгенса, каждая точка фронта волны сама является источником сферической волны, то к отверстию помимо прямого звукового луча от источника придет часть энергии звука, рассеянного прилежащей к отверстию площадью стены. В результате плотность звуковой энергии увеличивается, а отверстие, ввиду малого акустического сопротивления по сравнению с сопротивлением стенки, проводит эту энергию в соседнее помещение. Образуется как бы акустическая воронка. Вагнер показал экспериментально, что влияние отражения звука от стенок как бы равноценно увеличению площади звукопроводящего отверстия во много раз.